復合材料補片膠接修補研究進展
時間:2006-07-27
梁重云 曾竟成 肖加余 楊孚標 杜 剛( 國防科技大學航天與材料工程學院材料工程與應用化學系 長沙 410073 )
1 引言
復合材料具有比強度、比模量高,可設計性強,良好的抗疲勞、抗腐蝕性能和尺寸穩定性,在航空航天領域有廣泛的應用。飛機在服役期間受損是難免的,需要適當的修補。20世紀70年代以來,澳大利亞皇家空軍航空研究實驗室和美國海軍研究實驗室發展了一種新的結構修補技術,即采用復合材料補片對飛機受損的金屬結構進行膠接修補,已成功地應用于一些軍用和民用飛機的金屬和復合材料結構。
2 復合材料補片膠接修補的優越性
作為一種新的結構修補技術,與傳統的機械修補方法(鉚接、焊接、螺接)相比,復合材料膠接修補具有明顯的優點。(1)復合材料比強度、比模量高,其補片厚度約為鋁合金補片的1/3～1/2,就能達到同樣的修補效果,因此膠接修補后的結構增重小。(2)復合材料可設計性強,可根據使用要求和受力狀況進行材料的鋪層設計。(3)復合材料有多種成形工藝,便于大面積整體成形,制成大型結構件和表面形狀復雜的零部件,可采用膠接共固化工藝進行原位修補。對復雜曲面,復合材料補片修補比傳統的機械修補更容易實施,而且修補后補片與母體粘合緊密,基本保持原有結構外形,容易滿足復雜的空氣動力學要求。(4)復合材料補片膠接修補能提高損傷區的剛度、靜強度,減小裂紋尖端應力強度因子,貼補膠接修補不需要對原結構開孔,不會形成新的應力集中源,有利于提高結構的損傷容限和抗疲勞性能[1]。(5)修補時間短、成本低。(6)外場修補所需設備簡單,主要有修補工具包、修補儀和便攜式ＮＤＴ設備等。
3 復合材料補片膠接修補的關鍵技術
針對復合材料補片膠接修補而言,膠粘劑的選擇、補片材料與被修金屬構件的匹配性、被修補結構的表面處理和修補固化工藝及施工工藝保障等是關鍵技術。
3.1 膠粘劑的選擇
膠粘劑是實現補片止裂作用的中間媒介,因此對膠粘劑的選擇至關重要。應根據修補結構的實際承力水平和使用環境選擇既具有良好的抗疲勞性能,又具有較高的剪切、剝離強度,良好的耐介質和耐濕熱老化性能的膠粘劑。復合材料膠接修補所用的膠粘劑主要有兩大類:一類是雙組分膠粘劑,主要用于復合材料結構的室溫固化修補(少數雙組分膠粘劑可用于熱膠接固化修補);另一類是膜狀膠粘劑(膠膜),用于熱膠接固化修補。國外在復合材料補片膠接修補中采用的膠粘劑多屬于環氧體系,如ＦＭ—73、ＦＭ○Ｒ300—2、ＡＦ—126等。這類膠粘劑具有很高的韌性和剪切強度,較高的剝離強度,一般在100℃～120℃固化,屬于中溫固化體系。國內類似的膠粘劑有Ｊ—88、Ｊ—47和Ｊ—159等。
3.2 復合材料補片與被修金屬構件的匹配性
復合材料補片應在盡量低的溫度下固化,并能與膠粘劑的固化溫度一致;補片熱膨脹系數應與母體材料的相匹配。國外大多采用硼/環氧復合材料補片對損傷金屬結構進行膠接修補。因為硼/環氧復合材料強度、彈性模量高,熱膨脹系數相對較高,與金屬材料的熱匹配性能好,有利于降低膠接修補結構中的殘余熱應力,導電性低,便于使用渦流無損檢測,與金屬接觸后,電化學腐蝕性能較碳/環氧復合材料好。但硼纖維成本較高,加工較困難,國內多采用碳/環氧補片及玻璃/環氧補片,價格相對便宜。碳/環氧復合材料在航空工業中應用較廣,易于操作,可制成曲率半徑較大的零部件,適合于復雜結構的修補,但其強度和剛度不如硼/環氧復合材料與金屬接觸易發生電化學腐蝕
3.3 被修補結構的表面處理
被修補結構的表面處理是指膠接之前,通過機械方法除去結構表面影響結合力的氧化層、污染物增加機械結合面;或通過化學方法在結構表面有控制地沉積一層均勻的特種氧化物或在膠接面形成化學鍵,使經過處理的結構表面具有高的表面能,從而獲得較高的膠接強度和耐久性。常用的凈化表面的方法有溶劑清洗、蒸氣脫脂等。常用的化學處理方法有無槽化學氧化及涂硅烷偶聯劑等。無槽化學氧化的方法在外場實施時會受縫隙、裂紋損傷等結構形式的限制,易產生二次污染,故不宜在外場使用。目前常用的簡單表面處理方法是表面機械打磨后涂硅烷偶聯劑。
3.4 修補固化工藝及施工工藝保障修補固化的主要控制因素是壓力、溫度和時間。由于被修補部位與周圍機體結構組成了一個復雜的熱導體,而且結構形式多樣,因此,需通過專用修補設備(如熱補儀)、配套材料以及特配工具對修補區提供連續的溫度和壓力保障。
4 復合材料補片膠接修補的設計分析
4.1 膠接修補的耐久性原則
對膠接修補的設計應考慮耐久性原則。(1)控制設計應力水平。通過強度設計的應力計算來選擇補片的幾何參數,至少保證膠接結構中補片所受的應力水平與原結構損傷部位一致,而且補片分擔的載荷不超過膠粘劑的承載能力。(2)避免或減小偏心。單面膠接易使膠接修補的結構產生偏心,于外力的作用下,在膠層中產生垂直于膠接面的拉伸應力,使應力峰值超過名義應力,降低被修補結構的承載能力。(3)降低應力集中。補片邊緣的剛度變化應平緩,避免邊緣結構剛度突變而在膠層中產生應力集中,導致該部位膠層提前破壞。(4)合理布置補片。為保證修補效率,可在修補中采用單向纖維層板,在受載復雜部位可根據需要適當增加90°和±45°鋪層。(5)修補后采取適當的防護措施。因為濕熱、腐蝕介質、紫外線照射等環境會加速膠粘劑與補片的老化,降低膠粘能力。(6)控制膠接質量。利用復合材料補片對損傷結構的膠接修補應嚴格遵循有關工藝規程來進行。
4.2 膠接修補的主要參數
通過對補片尺寸、鋪層及外形等細節的設計,使被修補結構在載荷、環境等因素的綜合作用下具有良好的使用功能和較長的使用壽命。從設計角度而言,膠接修補的參數主要包括補片的形狀、尺寸和鋪層。
4.2.1 補片的形狀
確定補片的形狀時,考慮損傷結構的具體特點,并注意補片的形狀不能太特殊。修補中心帶裂紋的金屬板,補片的最佳形狀是設計成歪斜的(對稱的四尖葉形或腰鼓形),注意確保板內應力不超過許用應力;矩形的補片次之,但比橢圓形、圓形和正方形的更有效,垂直于裂紋方向的最佳長度等于裂紋的長度,平行于裂紋方向的長度等于板長的最有效;橢圓的補片次于歪斜的和矩形的,橢圓的長軸平行于裂紋的比垂直于裂紋的更有效,長軸的最佳長度等于母板寬度,短軸(垂直于裂紋方向)的最佳長度等于裂紋的長度。對相同體積的補片而言,增加厚度與增加面積相比,前者可使應力強度因子多下降18%[6]。補片邊緣應設計成具有一定錐度的楔形,錐度比為30∶1至20∶1時,就能避免邊緣結構剛度突變而在膠層中產生的應力集中。而ＭａｒｙＡ.Ｍａｈｌｅｒ[7]認為錐度比為16∶1時,粘接強度較高;應力分析表明,在某些區域,錐度比為10∶1時,也能提供足夠高的粘接強度。修補結構承載較小的區域,即使存在稍高一點的應力/應變集中,也仍在安全范圍之內。為避免剪應力,尤其在補片的0°方向,將其末端切成鋸齒形就能減小剪應力,并大大提高修補的粘接強度。
4.2.2 補片的尺寸
對于貼補式修補而言,與補片尺寸直接相關的參數是搭接長度(補片長度)。對于雙面搭接,存在一個與最大可用強度相對應的臨界搭接長度,通常為20ｍｍ～30ｍｍ,采用更長的搭接長度不會增加承載能力。優化設計的要求是補片的面內剛度與母板的一致。由于貼補修補可作為雙面搭接的一半來處理,在補片材料與母板材料的彈性模量相同的情況下,最佳的補片厚度應該是母板厚度的一半。理論計算結果表明:當裂紋長度恒定時,增加補片的寬度,可以提高結構的修補效果,但當補片的寬度增至一定值,結構的修補效果提高甚微。另一方面,補片的長度存在一個最優值,使得裂紋尖端的應力強度因子最小。增加補片的厚度,可以提高結構的修補效果,但膠層內的最大剪應力也隨之提高,為避免脫粘,補片的厚度也有一上限值。
4.2.3 補片的鋪層
為獲得最佳的膠接修補效果,復合材料補片的纖維方向(主軸方向)應盡量同損傷結構中的最大受力方向保持一致。由于載荷方向和層壓板諸多設計約束的限制,補片的鋪層通常沒有更多的選擇余地,纖維的0°、45°和90°鋪層的比例一般在30∶55∶15左右,而0°方向則與主受力方向一致。
5 修補無損檢測和試驗驗證
5.1 修補的無損檢測
修補檢測的任務首先是選擇合適的無損檢測方法,按照規定的程序和周期,對在役復合材料結構進行無損檢測和確定損傷部位、損傷大小,為復合材料宇航材料工藝修補提供判斷依據;其次是對損傷結構經過修補后的質量進行無損檢測,評定損傷修補程度和完好性。迄今為止,國內外學者在無損檢測及界面的粘結質量評估方面開展了一些卓有成效的研究工作,提出的無損檢測方法有十幾種,但能有效地用于復合材料損傷修補檢測的方法主要有:目視檢測、敲擊法、阻抗法、諧振法、Ｘ射線法、激光全息法、紅外熱圖法、超聲法、聲發射法。據文獻報道,陳金龍等人把偏振相移技術引入錯位散斑之中,建立了一套具有非接觸、高精度和全場實時觀測等特點的測試系統,完成了對雙材料界面的粘接狀況的研究,并做定量分析和處理,實現了雙材料界面粘接質量的定量無損檢測。Ｃｈｉ ｕ等人首先提出了“智能結構”的概念,作為對母體結構補片膠接修補后的在役性能的評估手段。Ｙ.Ｌ.Ｋｏｈ等人將智能材料結構應用于無損檢測,以壓電陶瓷(ＰＺＴ)作為傳感/激勵元件,當ＰＺＴ粘在損傷區上,采用阻抗法進行實時局部檢測,可確定損傷的出現;當需要遠程傳感時,則采用轉換功能法確定修補中脫粘的范圍。將兩種方法有機結合,便可檢測出修補中的損傷和母體中的損傷擴展情況。
5.2 修補的試驗
驗證對修補結構的試驗驗證主要包括性能驗證、結構驗證和部件驗證,其中性能驗證包括強度試驗、疲勞壽命試驗、濕熱環境下的耐久性試驗及損傷容限評定試驗等,以評價修補后的結構是否滿足環境適應性要求和結構完整性要求。
6 補片膠接修補研究方法
補片膠接修補的研究方法主要包括:理論分析與計算和實驗研究。
6.1 理論分析與計算
理論分析與計算的目的是在實施修補之前,對損傷區的剛度和強度降低情況給出基本評估,對擬采取或確定的修補措施給出修補后的剛度和強度恢復情況的預估,從而減小試驗件的投入成本、縮短修補周期、提高修補設計水平。對那些無法進行試驗驗證的關鍵部位的損傷修補問題,理論分析就顯得尤為重要。理論分析與計算主要采用解析法和數值法。
6.1.1 解析法
Ｅｒｄｏｇａｎ等人根據Ｍｕｓｋｈｅｌｉｓｈｖｉｌｌｉ的平面彈性理論,用復變函數方法分析了膠接修補結構中的應力分布和裂紋尖端的應力強度因子。在該分析模型中,膠層被認為是各向同性材料,并考慮其彈塑性變形;裂紋板和補片均處于平面應力狀態,兩者之間的作用力通過膠層的剪切變形而實現,膠層對裂紋板和補片的剪切力,在各自厚度上均勻分布,用位移協調條件建立方程組,問題最終歸結為解1個第2類的Ｆｒｅｄｈｏｌｍ積分方程組。Ｒｏｓｅ[18,19]等人根據廣義平面應力的彈性包容理論,通過對應力集中系數、膠層應力和裂紋尖端應力分量這三個無量綱參數的分析計算,對單側修補結構中的單面和雙面貼補法的修補效果進行了研究。整個計算過程分為兩個階段:在第一階段的分析中假設補片膠接到一塊沒有損傷的金屬板上,并引入剛性膠接假設(金屬板和復合材料補片之間沒有相對位移),根據彈性包容理論計算膠接修補區內金屬板上的應力值;在第二階段的分析中,則在金屬板上引入一條裂紋,用近似方法估算裂紋尖端的應力強度因子值,并給出了修補效果比較,即雙面貼補優于單面貼補,因為單面貼補中的面外彎曲會導致修補效率下降和補片及膠層中的應力升高。而加厚補片可有效降低補片下裂紋的應力集中。解析法計算時間短、費用低,在研究各參數的變化對膠接修補效果的影響時非常方便。但對補片的參數有很大的限制;計算精度低,且誤差分析困難。
6.1.2 數值法
Ｊｏｎｅｓ等人采用平面有限元模型對含裂紋結構的復合材料補片膠接修補問題進行了研究。由于受平面分析模型的限制,分析模型中忽略了單面膠接修補引起的彎曲變形和結構不對稱對結果的影響。Ｓｕｎ等人基于Ｍｉｎｄｌｉｎ平面理論,假設沿板的厚度方向位移線性分布,這樣就可以考慮單面膠接修補結構中彎曲變形對計算結果的影響。ＲａｎｄｏｌｐｈＡ.Ｏｄｉ和ＣｌｉｆｆｏｒｄＭ.Ｆｒｉｅｎｄ對復合材料膠接修補中常用的三個有限元模型,即:ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應變模型、ＢＡＩＲ的準三維復合材料殼元模型和三維塊體元模型進行了對比計算,給出了相應的分析結論:ＢＡＩＲ模型與傳統的二維模型相比,母板、補片及膠層的面內應力計算結果符合良好,但得到的膠層剪應力結果可靠性較差;ＳＩＥＮＥＲ的二維平面應變模型因自身單元品質,無法給出準確的鋪層應力;三維模型計算較準確,但計算時間較長。關于這方面的研究工作主要集中在兩個方面:首先是改進膠層的分析模型以改善計算精度;其次是計算膠接修補結構中的殘余熱應力對應力分布、裂紋尖端應力強度因子及疲勞裂紋擴展速率的影響。有限元分析方法適用范圍較廣,對結構形狀和補片的鋪層沒有限制,且計算精度較高,在飛機結構的實際膠接修補分析中普遍采用。一些學者還針對某些具體問題開展了部分研究工作。如Ｍ.Ｊ.Ｄａｖｉｓ和Ｄ.Ａ.Ｂｏｎｄ對幾種常見的飛機膠接結構及膠接修補后的破壞模式和破壞機理進行了研究。通過對許多試件進行解剖剝離,給出了各種真實的破壞模式和破壞機理描述,也指出了搞清楚這些破壞模式和破壞機理對于正確選擇膠粘劑、修補材料、修補參數、修補工藝及測試方法的重要性。Ｊ.Ｗ.Ｃｈｏｉ等人對石墨/環氧復合材料采用三種修補方法(單面預固化補片法、雙面預固化補片法和實地固化法)進行了強度研究,得到了強度恢復率為無缺口件的60%～80%的結論。通過采用基于疲勞剛度降低模型和參考剛度的Ｈｗａｎｇ和Ｈａｎ方程(ＭＦＬＰＥ1修正的疲勞壽命方程)對修補后試件的疲勞壽命進行了預測,并同傳統的Ｓ—Ｎ曲線疲勞壽命方程進行了比較。
6.2 實驗研究
Ｒａｔｗａｎｉ等人詳細研究了補片材料、尺寸和鋪層設計及環境條件(溫度和相對濕度)對膠接修補結構疲勞壽命的影響。Ｓａｎｄｏｗ和Ｃａｎｎｏｎ考察了2024—Ｔ3鋁合金板的厚度、膠粘劑種類(40℃固化的Ｋ138和120℃固化的ＡＦ163)、疲勞載荷類型(等幅譜和隨機譜)及補片鋪層設計等因素對結構疲勞壽命的影響。Ｄｅｎｎｅｙ研究了膠層脫膠位置、脫膠尺寸及初始裂紋長度、最大應力和應力比對疲勞裂紋擴展速率和結構疲勞壽命的影響。Ａｌａｗｉ和Ｓａｌｅｈ研究了補片的形狀、尺寸,膠接修補方式(單面或雙面)及試件的表面質量對疲勞裂紋擴展速率的影響,認為膠接修補結構中疲勞裂紋擴展速率發生變化的根本原因是Ｐａｒｉｓ裂紋擴展過程中材料結構常數的改變,因此通過對疲勞試驗數據的統計分析,擬合出各種典型修補情況的Ｐａｒｉｓ裂紋擴展公式中材料常數。
7 結束語
復合材料補片膠接修補無論對于航空航天還是復合材料領域都是非常重要的。雖然近30年來,已有很多學者對復合材料補片膠接修補作了許多細致有益的工作,但是復合材料補片膠接修補中仍然存在一些困難和不盡如人意之處,有待進一步的研究。(1)由于復合材料補片與金屬材料的熱膨脹系數相差很大,結構在高溫固化后冷卻到室溫時,修補結構中存在殘余熱應力和殘余熱應變。在實際的膠接修補中,采用何種復合材料,既經濟又能與金屬母體材料的熱膨脹系數相匹配。(2)采用碳/環氧復合材料補片修補鋁合金結構時,兩者之間易發生電化學反應,采用什么措施,才能有效防范。
